Способ автоматического управления испытанием карбидкремниевых электронагревателей

Способ автоматического управления испытанием карбидкремниевых электронагревателей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ИСПЫТАНИЕМ КАРБИД-КРЕМНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ, при котором разогревают рабочее пространство камеры с испытуемыми электронагревателями до конечной температуры путем подачи напряженияна нагреватели ка меры и поддерживают указанную темпе-г ратуру в камере изменением напряже-ния на нагревателях камеры,затем ; подают питание на испытуемые электронагреватели , увеличивают поверхностную мсяцность на них до заданного эйаг у ,. , .;V. ,..: 1 / -%V/ .ft. ,/.. ,, { ;-„-.,, / - -sf чения и испытывают их на наработку, поддерживая это значение поверхности /ной мощности все время испытания, после чего снимают, напряжение с испытуемых электронагревателей и уменьшают до нуля мощность нагревателей камеры , отличающийс я тем, что, с целью повышения качества испытаний в камере с водоохлаждаемой тонкой футеровкой, разогрев рабочего пространства ведут по экспериментально-ступенчатому закону путем ступенчатого повышения напряжения на нагревателях камеры через згщанные промежутки времени со стабилизацией мощности на каждой ступени, поддерживают конечную температуру в каме- JP ре путем формирования на нагревателях камеры реверсивных шагов напряже-f/1 ния со скважностью, выбранной в сооти ветствии с температурой, у зеличение поверхностной -мсядности на испытуемых электро-нагревателях проводят пода- 2 чей на них 10-100 ступеней напряже ния , поддержание мощности - формированием реверсивных шагов напряжения на каждом из них со скважностью, выбранной в соответствии с мощностью на электронагревателях, а снижение до нуля мощности нагревателей камеры СО осуществляют снижением напряжения со на них в 10-20 ступеней. О1

„„SU„„1040395 А

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

COLLHAЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

-. Э(59

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

l (21) 3438923/24-07 чения и испытывают их на наработку, (22) 14,05.82 поддерживая это значение поверхност (46) 07.09.83. Бюл. Р 33 ной мощности все время испытания, (72) Ю.A.Hèõèíñîí и З.Г.Леликов †. после чего снимают напряжение с испы(71) Отделение Всесоюзного научно туемых электронагревателей и уменьшаисследовательского института электро - ют до нуля мощность нагревателей катермического-оборудования s r.Õàðü- - " меры, отличающийся тем, нове :что, с целью повышения качества испытаний в камере с.водоохлаждаемой (53) 621.3.036.662.4.001.4 (088.8) тонкой футеровкой, разогрев рабочего (56) 1. Камерные электропечи сопро- : пространства ведут по экспериментальтивления СКЗ и СНО. Каталог. Информ, но-ступенчатому закону путем 4-.8 стуэлектро, 01.14.69, М 12. . - пенчатого повышения напряжения на.2 ° Инструкция по проведению испы». нагревателях камеры через заданные такий карбидкремниевых электронагре- промежутки времени со стабилизацией вателей типа КЭНА на гарантийную на- мощности на каждой ступени, поддер, работку по ГОСТ 16139-76. Запорожс- . живают конечную температуру в каме- Ро кий огнеупорный завод, 1979. ре путем формирования на нагревателях камеры реверсивных шагов йапряже(54)(57) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УП- . ния со скважностью, выбранной в сооТРАВЛЕНИЯ ИСПЫТАНИЕМ КАРБИД-КРЕМНИЕ-: — ветствии с температурой, увеличение

ВЫХ ЗЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕй, при котором . поверхностной мощности на испытуемых разогревают рабочее пространство ка- : электро-нагревателях проводят пода- ф меры с испытуемыми электронагревате» .- чей на них 10-100 ступеней напряже. лями до конечной температуры путем .:-. ния, поддержание мощности - формироподачи напряжения- на нагреватели ка--..., ванием реверсивных шагов напряжения меры и поддерживают указанную темпе-, :, .на каждом из них со скважностью, выбратуру в камере изменением напряже- - -= :. ранной в соответствии с мощностью на ния на нагревателях камеры, затем - - электронагревателях, а снижение до подают питание на испытуемые электр< - нуля мощности нагревателей камеры нагреватели, увеличивают поверхност-: :,:: осуществляют снижением напряжения ную мощность на них до заданного.зйа на них в 10-20 ступеней.

104D395

-Изобретение относится к технике испЫтаний и может быть, применено при исйытаниях карбидкремниевых электронагревателей на гарантийную наработкуе

Известен способ автоматичесяого управления испытанием электронагревателей в высокотемпературных электропечах с карбидкремниевыми электронагревателями, заключающийся в том, что управление испытанием осуществля-)0 ют путем нерегулируемого подъема температуры в камере и ее сравнения с заданной. Если эта температура ниже заданной, то подается полная мощность на электронаГреватели. Если действи- 15 тельная температура становится выше заданной, то осуществляют полный съем мощности с электронагревателей. По окончании испытаний осуществляют неуправляемое естественное охлаждение .

20 электропечи.

Испытание на гарантийную наработ-, ку выполняют путем установки испытуемых электронагревателей в холодную электропечь, при этом они выполняют функции как регулирующих, так и испытуемых, Это значит, что с помощью испытуемых электронагревателей осуществляют разогрев пени до заданной температуры, а затем, используя эти же электронагреватели, стабилизируют описанным выше стовобом достигнутое заданное значение температуры в электропечи (I.).

К недостаткам известного способа следует отнестИ то, что при управле- Зз нии испытанием электронагревателей они работают при переменной удельной ваттной нагрузке на их активной рабочей поверхности, не обеспечивается при управлении, испытанием разогрев40 активной (рабочей) поверхности электродвигателей до заданной температуры за конечное заданное время, отсутствует возможность поддержания на каждом испытуемом электронагревателе заданнрй мощности, не обеспечивается воэможность получения допустимых колебаний температуры на активной (рабочей) поверхности испытуемых электронагревателей, что, в свою очередь, приводит к интенсивному образованию микротрещин на активной поверхности испытуемых электронагревателей

1и преждевременному их разрушению, снижается срок их службы..

Кроме того, электронагреватели вы полняют совмещенную функцию (регулирукщие и исПытуемые одновременно), что не дает четкой информации о старении испытуемых электронагревателей и, следовательно, об их гарантийных 60 воэможностях.

Все отмеченные недостатки снижают качество испытаний карбидкремниевых электронагревателей, не дают воэможности иметь достоверное представ ление о времени их гарантийной наработки.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является спо-. соб автоматического управления испытанием карбидкремниевых электронагре1 ателей, при котором разогревают рабочее пространство камеры с испытуемыми электронагревателями до конечной температуры путем подачи напряжения на нагреватели камеры и поддерживают указанную температуру в камере изменением напряжения на нагревателях камеры, затем подают питание на испытуемые электронагреватели, увеличивают поверхностную мощность на них до заданного значения и испытывают их на наработку, поддерживая это значение поверхностной мощности все время испытания, после чего снимают напряжение с испытуемых электронагревателей и уменьшают до нуля мощность нагревателей камеры. В данном способе функции испытуемых и разогревающих нагревателей разделены, что повышает качество иснытания (2).

Однако данный способ характеризуется недостаточныч качеством испытаний особенно в камерах с водоохлаждаемой тонкой футеровкой, Это объясняется тем, что подъем и снижение температуры камеры нерегулируемые, а поддержание температу« ры позиционное, Кроме того, Нерегла" ментирован процесс вывода испытуемых электронагревателей на паспортную мощность. Все отмеченные недостатки сильнее всего проявляются при испытаниях в водоохлаждаемой камере с тонкой футеровкой.

Цель изобретения — повышение качестна испытаний электронагревателей.

Указанная. цель достигается тем, что согласно способу автоматического управления испытанием карбидкремниевых электронагревателей,.при котором разогревают рабочее пространство камеры с испытуемыми электронагревателями до конечной температуры путем подачи напряжения на электронагреватели камеры и поддерживают указанную температуру в камере изменением напряжения на нагревателях камеры, затем подают питание на испытуемые электронагреватели, увеличивают поверхностную мощность на них до заданного значения и испытывают их на наработку, поддерживая это значение поверхностной мощности все время испытания,- после чего снимают напряжение с испытуемых электронагревателей и уменьшают до нуля мощность нагревателей камеры, разогрев .рабочего пространства ведут по экспоненциально-ступенчатому закону путем 4-8 сту пенчатого повышения напряжения на нагревателях камеры через,.заданные промежутки времени со стабилизацией.1040395 мощности на каждой ступени, поддерживают конечную температуру в каме- ре путем формирования на нагревате- лях камеры реверсивных шагов напряже" ния со скважностью, выбранной в соот" 5 ветствии с температурой, увеличение, поверхностной мощности на испытуемых электронагревателях, проводят подачей

Ъ на них 10-100 ступеней напряжения, .попдержание мощности - формированием реверсивных шагов напряжения на каждом из них со скважностью,выбранной в соответствии с мощностью на электронагревателях, а снижение до нуля мощности нагревателей камеры осуществляют снижением напряжения на них в 10-20 ступеней.

Формирование процесса управления испытанием электронагревателей обусловлено ограничениями, которые связаны как с самим объектом регулиро- 20 вания(водоохлаждаемой камерой с тонкой футеровкой),так и с.такими элементами,как нагреватели камеры и испытуемые электронагреватели. для водоохлаждаемых тонких футеро-25 вок характерна нечувствительность внутреннего пространства камеры к значению подводимой к нагревателям камеры мощности, выше которой начи-нается изменение температуры этого щ пространства с требуемой скоростью.

Такая нечувствительность может быть оценена значениями мощности, различными для холодной и разогретой камеры.

Это обстоятельство исключает воэможность изменения подводимой к нагревателям камеры мощности по непрерывному закону, поскольку такое изме нение в определенных пределах не будет давать нужного эффекта,что,в свою40 очередь, приведет к потере времени разогрева камеры, а это неприемлемо.

Наиболее целесообразным является ступенчатый закон увеличения мощнос- 45 ти на нагревателях камеры, при этом, если учесть ограничения на допустимые перепады температур, о которых было указано выше, то этот закон должен носить многоступенчатый характер, а не одноступенчатый, как в известном способе управления.

Важным условием (ограничением) управления регулируемым подъемом температуры в камере является достижение ее заданного значения за конечное за"55 данное время. Это значит, что время введения каждой ступени увеличения мощности, подводимой к нагревателям камеры, должно быть выбрано таким.;: образом, чтобы с„ одной стороны времй 60 введения. последней ступени было мень" ше конечного заданного времени достижения заданной температуры в камере, а с другой стороны, чтобы было выдержано общее конечное заданное время 65 достижения необходимой температуры в камере. .

Известно, что в тепловых объектах регулирования, к которым также относится испытательная камера с водоохлаждаемой тонкой футеровкой, процесс изменения температуры происходит по нелинейному экспоненциальному закону.

Вследствие этого регулируемый подъем температуры в камере будет складываться из элементарных экспонент, количество которых будет равно количест" ву ступеней мощности на нагревателях камеры. Таким образом, регулируе мый подъем температуры в камере выполняется по экспоненциально-ступенчатому закону.

В конечном итоге значение мощности каждой ступени и их количество должно выбираться с учетом нечувствительности и допустимого перепада температур, о чем было изложено выше, при этом отклонение каждой элементарной экспоненты от теоретически прямолинейного закона изменения температуры не должно быть больше допустимого перепада температур.

Предлагаемый способ управления предусматривает возможность увеличения ступеней мощности, но не более восьми, поскольку при таком их количестве еще соблюдаются ограничения по нечувствительности, т.е. величина ступеней дает возможность получать изменение температуры внутреннего пространства камеры с требуемой скоростью. При этом следует учесть, что мощность первой ступени и конечное значение мощности, необходимой для достижения конечной заданной температуры в камере, остаются неизменны, а при увеличении количества ступеней их мощности получаются за счет дробления мощности ранее существовавших до увеличения ступеней.

Однако свойство нечувствительности камер с водоохлаждаемой тонкой футеровкой не дает возможности использовать для поддержания температуры непрерывный закон регулирования, например ПИ-закон, при котором не представляется возможным получить необходимую точность поддержания. температуры в камере.

В этих условиях для обеспечения заданной точности и быстродействия регулирования применен принцип принудительного формирования реверсируемых шагов напряжения на нагревателях камеры с задаваемой периодичностью (скважностью). Величина напряжения шага и их периодичность должна выбираться с учетом допустимых колебаний температур как на поверхности нагревателей камеры и испытуемых электронагревателей, так и внутри камеры, а также обеспечивать требуемое быст родействие. Если учесть, что нагрева1040395 тели камеры, являясь также карбидкремниевыми, имеют свойство увеличивать при работе в функции времени свое сопротивление (стареть), то примененный принцип принудительного формирования реверсируемых шагов напря- 5 жения в функции температуры н камере дает возможность все время отыскивать экстремальное значение мощности, снимаемой с нагревателей камеры.

Для поддержания заданной мощности на каждом испытуемом электронагревателе использован принцип, аналогичный указанному выше, но для него характерны своя величина напряжения шага и их периодичность, являющиеся об-1 щими для всех испытуемых электронагревателей.

Если учесть, что в камере одновременно функционирует несколько (например,. шесть) каналов управления поддержанием заданной мощности, каждый из которых относится к соответствующему испытуемому электронагревателю, то возникает ситуация, при которой эти каналы управления. вносят .на канал управления температурой в камере возмущающие ноздейстния. Ввиду этого использование принципа принудительного формирования периодичес" ки реверсируемых шагов напряжения в функции заданной мощности на каждом испытуемом электронагревателе дает возможность, во-первых„.отыскивать ввиду их старения экстремальное значение мощности на каждом из них, а З5 во †втор, создать благоприятные. условия функционирования канала упранления температурой в камере в отношении быстродействия отработки указанных выше возмущающих воздейст- Щ вий..

В условиях водоохлаждаемой тонкой футеровки полный сброс мощности может привести к недопустимым перепадам температур на водоохлаждаемой и 45 неводоохлаждаемой сторонах тонкой футеровки, что приведет ее к преждевременному растрескиванию и выходу из строя ° Кроме того,с помощью принуди" тельного водоохлажцения будет с недо;5О ( пустимой скоростью происходить снижение температуры как внутри простран,ства камеры,так и на поверхности электронагревателей,что.в конечном итоге будет снижать срок службы.

Для того, чтобы избежать этих не- 5 достатков,-в предлагаемом способе управления принят принцип периодичес. кого ступенчатого снижения напряжения и, следовательно, мощности на йагревателях камеры да нулевого зна- )G чения. Задаваемые периодичность (скважность) и величина ступени напряжения, выбираемая с учетом нечуьствительности объекта регулирования, дают возможность обеспечить управляв-у мое остывание нагревателей, футеровки и камеры в целом.

Для управления испытанием необходимо задать информацию о количестве ступеней мощности, величине мощности каждой ступени, промежутке времени, через которые эти ступени будут.вводиться, конечном значении температуры в камере, первой заданной скважности для реверсируемых шагов напряжения на нагревателях камеры, которая содержит такие показатели, как величина шага напряжения и периодичность их формирования, заданном значении стабилизируемой мощности на каждом испытуемом электронагренателе, второй заданной скважности для реверсируемых шагов напряжения на испытуемых электронагревателях, которая содержит такие показатели, как величи1 на шага напряжения и периодичность их формирования, длительности испыта.ний, и третьей заданной скважности для нагревателей камеры при управляемом остывании камеры, которая содержит,такие показатели, как величина ступеней напряжения и периодичность их формирования.

П р и м.е р. Используют камеру с испытуемыми электронагревателями, у которых длина активной (рабочей) час" ти 150 мм и диаметр этой части.8 мм„

Исходя из заданной информации управление испытанием происходит следующим образом.

Осуществляют в отсутствии напряжения на испытуемых электронагревателях регулируемый подъем температуры н камере с водоохлаждаемой тонкой,фу-. теровкой по экапоненциально-ступенчатому закону. Такое изменение температуры получается благодаря тому, что мощность на нагревателях камеры изменяется (увеличивается) по ступенчатому закону, причем ступени нвацятся через задаваемые промежутки. Общее количество ступеней может быть от четырех до восьми. Учитывая, что нагреватели камеры выполнены из карбида кремния и имеют свойство стареть в функции времени, т.е. увеличивать свое первоначальное значение активного сопротивления, в предлагае» мом способе предусмотрена стабилизация мощности каждой ступени. Это позволяет при изменяющемся значении сопротивления нагревателей камеры иметь всегда одно и то же значение мощности каждой ступени, однако эта значение будет по мере старения компенсироваться нсе возрастающим значением напряжения на них. Так, например, при количестве ступеней мощности для регулируемого подъема температуры (разогрева) в камере четыре значение мощности первой ступени составляет

6,1 кВт, для второй ступени мощность увеличивается до 11,3 кВт, для треть1040395

Филиал ППП "патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 ей — до 15,9 кВт, для четвертой - до

20 кВт, при этом первая crgjGBHh мощности вводится с началом разогрева, вторая -. через 30 мин от начала разогрева, третья - через 90 мин от начала разогрева и четвертая — через

160 мин от начала разогрева. Такое значение ступеней мощности и время . их подачи дает возможность достигнуть заданную температуру 1450 С в камере за 3,5 ч (210 мин). Следует указать, что с началом регулируемого подъема температуры (разогрева) s камере осуществляют отсчет времени испытаний.

После достижения конечной задан- 15 ной температуры 1450i20 С в камере осуществляют ее стабилизацию с необходимой точностью,.что является. неотъемлемой частью процесса испытаний, так как обеспечиваются необходимые температурные условия, при которых гарантируется возможность подучения удельной ваттной нагруз ки для испытуемых электронагревате-, лей Ж0,5 Вт/см Стабилизацию темпе- д, 1

: ратуры в камере осуществляют путем принудительиого формирования реверсируемых шагов напряжения на нагрева телях камеры. Направление реверсирования осуществляется с помощью знако-30 переменной релейной функции, формируемой в зависимости от направления изменения температуры от заданного значения.

Так, например, при величине шага напряжения +10 В и периодичности его ,формирования 2 мин точность стабилизации температуры B установившемся режиме составляет +10.-15 С при допусо тимом значении + 20ОС.

Одновременно с началом режима ста-40 биЛизации температуры в камере-начинают ступенчатый подъем напряжения на каждом испытуемом электронагревателе,.который будет происходить-до. тех пор, пока не будет достигнута 45 заданная мощность на каждом из них, после чего начинается ее стабилиза-. ция.

Следует указать, что при величине напряжения ступени, например 1 В 5() для-достижения заданной мощности может потребоваться 10-100 ступеней.

Такие пределы объясняются тем, что по мере старения испытуемых электронагревателей для достижения заданной мощности на каждом из них количество ступеней будет расти и в пределе может достигнуть верхнего значения.

Стабилизацию мощности на каждом испытуемом электронагревателе осуществляют путем принудительного формирования реверсируемых шагов напряжения на каждом из них. Напоавление реВНИИПИ Заказ 6921/48 версирования осуществляется для каждого испытуемого электронагревателя с помощью энакопеременной релейной фуйкции, формируемой в зависимости

or направления изменения мощности от заданного значения на каждом иэ них, Так, например, при величине шага напряжения + 1 В и периодичности его формирования 1-2 мин .точность стаби.лизации мощности составляет . 18 Вт, причем периодичность формирования реверсируемых шагов напряжения не должна:.превышать такой же показатель для нагревателей камеры, что дает воэможность обеспечить благоприятные условия функционирования канала управления температурой в камере в отноше Нйи быстродействия обработки воэмущакв4их воздействий со стороны несколькЮс (например, шести) каналов управления поддержанием заданной мощности не каждом из испытуемых электронагре вателей.

Понятие шаг напряжении представляет собой разность между двумя последовательными значениями напряжения—

Предыдущим и последующим (или последующим и предыдущим), которые получаЮтся. в результате этого шага.

По достижении заданного времени

Испытаний производят полный съем напряжения со всех испытуемых электронагрЕвателей, после чего с третьей за-! данной. скважностью формируют ступени напряжения, с помощью которых уменьшу от до нулевого значения как напряжение, так и мощность на нагревателях камеры, чем осуществляют управляемое остывание камеры.

1 . Так, например, при величине .напря-, жения ступени 10 В и периодичности их формирования 15 мин для достижения нулевого значения напряжения.и мощности может потребоваться 10-20 ступеней напряжения с 2,5-5,0 ч. Такие пределы объясняются тем, что по мере старения нагревателей камеры на них будет расти напряжение, которым необходимо компенсировать это старение и получить необходимую мощность. Поэтому с ростом напряжения иа нагревателях камеры будет требоваться большее количество ступеней и времени, чтобы достигнуть на них

;нулевого значения мощности при управ" ляемом остывании камеры. В .предель ном случае, когда первоначальное сояротивление электронагревателей камеры увеличится в 4 раза, количество ступеней может достигнуть верхнего значения, Технические преимущества изобретения заключаются в повышении качества испытаний и увеличении срока службы испытуемых электронагревателей.

Тираж 873 Подписное